車輛墩柱模型碰撞動(dòng)力響應(yīng)分析

盧文良，李文會(huì)，李曉龍，彭勃陽(yáng)

(1.北京交通大學(xué)，北京 100044;2.北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，北京 100037;3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100082)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車數(shù)量快速增加，各大城市均出現(xiàn)了車輛擁堵現(xiàn)象。城市高架橋?qū)Ω纳平煌〒頂D、改善市容起到了重要作用。然而近些年來(lái)汽車撞擊城市橋梁橋墩的事故時(shí)有發(fā)生，這類事故不僅僅造成人員車輛的損失，也對(duì)橋墩甚至整座橋梁的安全性、耐久性造成非常不利的影響。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京的立交橋半數(shù)以上曾被車輛撞擊，所以車輛撞擊橋梁?jiǎn)栴}需要進(jìn)行深入研究。

我國(guó)現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［1］中對(duì)車輛撞擊橋梁的作用規(guī)定比較籠統(tǒng)，只是簡(jiǎn)單地給了一個(gè)撞擊力數(shù)值。實(shí)際上車輛撞擊橋梁的影響因素很多，例如車輛的類型、撞擊時(shí)的速度以及橋梁的類型、重要性系數(shù)都應(yīng)該考慮在內(nèi)。目前國(guó)內(nèi)在橋梁碰撞方面做了一些數(shù)值模擬和仿真分析的研究。如文獻(xiàn)［2］做了碰撞數(shù)值模擬算法的研究，文獻(xiàn)［3］做了橋墩在船舶撞擊的仿真研究，陸勇等進(jìn)行了汽車撞柱的仿真分析［4］，陸新征等［5］進(jìn)行了超高車輛與立交橋梁碰撞的非線性仿真分析。文獻(xiàn)［6］研究城市跨線橋橋墩在普通車輛撞擊下的受力狀態(tài)及車—橋的碰撞機(jī)理，并模擬分析了在車輛不同的撞擊角度下橋墩的應(yīng)力及位移變化狀態(tài)。文獻(xiàn)［7］通過(guò)有限元程序 ABAQUS，針對(duì)不同車速車輛垂直撞擊橋墩的情況進(jìn)行了模擬分析。文獻(xiàn)［8］采用通用有限元程序 ABAQUS，進(jìn)行了橋梁在超高車輛以不同車速垂直撞擊情況下的數(shù)值模擬。由于足尺車輛撞實(shí)橋的試驗(yàn)難度相當(dāng)大，且代價(jià)非常高昂，基本上是車毀橋傷，所以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)及縮尺模型試驗(yàn)進(jìn)行車橋碰撞分析，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。本文進(jìn)行了車—墩柱碰撞有限元模擬分析，并與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 小車—墩柱模型撞擊試驗(yàn)

為了模擬車輛與橋墩的撞擊，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)。小車質(zhì)量3.8 kg，混凝土墩柱模型高60 cm，直徑16 cm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C50，墩柱內(nèi)置4根直徑10 mm的光圓鋼筋。墩柱采用壓重固定形式。試驗(yàn)中將小車前部用泡沫包住，這樣既可以減少碰撞時(shí)的能量損失，模擬汽車的吸能設(shè)計(jì)，又可以減小小車對(duì)墩柱的局部沖擊過(guò)大。在墩柱下部的前后都布置了應(yīng)變片，在墩柱上部布置了加速度傳感器，見(jiàn)圖1。試驗(yàn)時(shí)，小車采用不同速度撞擊墩柱，小車撞擊時(shí)的瞬時(shí)速度采用視頻測(cè)量。

圖1 車與墩柱撞擊試驗(yàn)示意(單位:cm)

限于篇幅，此處僅介紹兩種速度撞擊墩柱時(shí)的數(shù)據(jù)，2.3 m/s和3.5 m/s。撞擊速度為2.3 m/s時(shí)，墩前應(yīng)變最大為 63×10－6，墩后應(yīng)變最大為 8×10－6，最大加速度為0.22 g。撞擊速度為3.5 m/s時(shí)，墩前應(yīng)變最大為 108 ×10－6，墩后應(yīng)變最大為 75 ×10－6，最大加速度為0.32 g。可以看出，撞擊速度越大，墩柱的應(yīng)變以及加速度越大。墩頂加速度及墩前應(yīng)變基本與車速成正比。圖2和圖3分別為車速為3.5 m/s時(shí)墩頂加速度和墩柱應(yīng)變時(shí)程曲線。

圖2 墩頂加速度試驗(yàn)值

圖3 墩后應(yīng)變?cè)囼?yàn)值

2 車輛—墩柱碰撞系統(tǒng)有限元分析

2.1 有限元模型

為了與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，建立了車輛—墩柱系統(tǒng)碰撞有限元分析模型，采用LS—DYNA軟件進(jìn)行計(jì)算。有限元模型尺寸和材料都參照模型試驗(yàn)。C50混凝土用雙線性各項(xiàng)同性模型，建模時(shí)墩底考慮兩種邊界條件:一種為固結(jié)，用于模擬基礎(chǔ)較深的橋墩;另一種為彈性邊界，用來(lái)模擬淺基礎(chǔ)、受沖刷的橋墩。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，墩柱底部的約束條件為彈性邊界。小車主要材料為鋼材，鋼材采用彈性材料模型。車身前部采用泡沫材料，泡沫采用LS-DYNA中的泡沫材料模型——FOAM低密度高壓縮性材料模型。接觸部分采用泡沫既可以模擬實(shí)際汽車撞擊時(shí)發(fā)生變形所產(chǎn)生的吸能、緩沖作用，又可以避免有限元計(jì)算中產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。有限元模型如圖4所示。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

計(jì)算中考慮了不同邊界條件、不同撞擊速度的多種工況。為了能與實(shí)際情況的車速相比較，選擇了撞擊速度分別為 12.6 km/h，45 km/h，60 km/h三種情況。撞擊速度為60 km/h時(shí)，進(jìn)行了墩柱底部邊界條件為完全固結(jié)與彈性約束兩種情況的對(duì)比。撞擊速度為12.6 km/h第0.054 s時(shí)車和柱的位移和墩柱豎向應(yīng)變?nèi)鐖D4所示，各種工況下的主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 第0.054 s的位移和墩柱豎向應(yīng)變

表1 各工況下動(dòng)力響應(yīng)

由表1可知，撞擊速度越大，墩柱產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)越大。同樣的撞擊速度，底部為固結(jié)邊界的橋梁其動(dòng)力響應(yīng)要小一些，但是墩柱底部的應(yīng)變要大。

3 有限元計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)是研究車—橋碰撞問(wèn)題的直接手段，但代價(jià)高、不便實(shí)現(xiàn)。有限元數(shù)值模擬是替代模型試驗(yàn)的可行方法。為了驗(yàn)證有限元模擬的仿真可信性，進(jìn)行試驗(yàn)與仿真分析的對(duì)比分析是十分重要的。本次試驗(yàn)中對(duì)墩柱底部的固定效果不是絕對(duì)固結(jié)，所以與邊界條件為彈性連接的有限元模型相對(duì)比。選撞擊速度12.6 km/h，有限元分析的加速度和應(yīng)變變化，如圖5和圖6所示。

圖5 有限元模擬的墩頂加速度

圖6 有限元模擬的墩后應(yīng)變

由圖2和圖5以及圖3和圖6可以看出，有限元和模型試驗(yàn)的結(jié)果基本吻合。墩頂加速度在0.2～0.3 g之間;墩后應(yīng)變?cè)?±60×10－6之間。由此可以看出，用有限元對(duì)車輛碰撞墩柱的仿真模擬是可行的。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)試驗(yàn)與有限元分析得出如下結(jié)論與建議:

1)車輛以不同速度撞擊墩柱產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)不同。速度越大，墩柱的動(dòng)力響應(yīng)越大，墩頂加速度與墩后應(yīng)變基本與車速成正比。

2)基礎(chǔ)是否牢固對(duì)墩柱動(dòng)力響應(yīng)的影響較大，車輛撞擊對(duì)于采用淺基礎(chǔ)的橋墩危害更大，良好的固結(jié)會(huì)減少墩柱的動(dòng)力響應(yīng)。

3)用有限元方法進(jìn)行車輛—墩柱系統(tǒng)碰撞數(shù)值分析是可行的。

4)試驗(yàn)和有限元分析仍然需要進(jìn)行研究，如分析車輛質(zhì)量、撞擊角度等對(duì)分析結(jié)果的影響，及模型與實(shí)橋相似性問(wèn)題。

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